Domácí ostrovní elektrárny. Off Grid Power Units for Homes

ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta strojní Ústav energetiky

Domácí ostrovní elektrárny Off Grid Power Units for Homes

Bakalářská práce

Studijní program: Teoretický základ strojního inženýrství

Vedoucí práce: doc. Ing. Kolovratník Michal, CSc.

Vít Šákr

Praha 2016

Prohlašuji, že jsem tuto bakalářskou práci vypracoval samostatně a že jsem všechny použité prameny řádně citoval. Tato práce ani její podstatná část nebyla předložena k získání jiného nebo stejného akademického titulu.

V Praze dne 9. června 2016

………….…………………………………

Vít Šákr

Anotační list Jméno autora:

Vít Šákr

Název BP:

Domácí ostrovní elektrárny

Anglický název:

Off Grid Power Units for Homes

Akademický rok:

2015 / 2016

Ústav:

Ústav energetiky

Vedoucí BP:

doc. Ing. Michal Kolovratník, CSc.

Bibliografické údaje: Počet stran: 28 Počet obrázků: 7 Počet tabulek: 3 Počet příloh: Klíčová slova:

ostrovní elektrárny, palivové články, SOFC, PEMFC, PAFC, fotovoltaika, obnovitelné zdroje

Keywords:

off the grid, fuel cells, SOFC, PEMFC, PAFC, photovoltaic, renewable sources

Anotace:

Bakalářská práce na téma Domácí ostrovní elektrárny se zabývá hledáním v dnešní době dostupných technologií pro výrobu vlastní elektřiny. První část práce je zaměřena na výrobu elektrické energie z palivových článků. Druhá část se upíná k obnovitelným zdrojům. Následně jsou tyto typy porovnány ekonomicky a také z hlediska návratnosti investic.

Abstract:

Bachelors thesis Off grid power units deals with searching contemporary available technologies for off grid electricity generation. First part is focused on fuel cells power generation. Renewable sources power generation will be discussed in the second part. Then these two methods are compared economically and also in the term of investment return.

Vít Šákr: Domácí ostrovní elektrárny

Obsah 1.

Úvod ...................................................................................................................................... 5

2.

Cíl práce ................................................................................................................................. 6 2.1 Domácí ostrovní elektrárny ................................................................................................. 6

3.

Přehled technologií ............................................................................................................... 7 3.1.

Palivové články .............................................................................................................. 7

3.1.1.

SOFC (Solid Oxide fuel cells) .................................................................................. 7

3.1.2.

PEMFC (Polymer Electrolyte Membrane fuel cells) ............................................ 10

3.1.3.

PAFC (Phosphoric Acid fuel cells) ........................................................................ 12

3.2.

Obnovitelné zdroje...................................................................................................... 13

3.2.1.

Solární panely (fotovoltaika) ............................................................................... 13

3.2.2.

Větrné elektrárny ................................................................................................ 16

3.2.3.

Menší vodní elektrárny ....................................................................................... 17

3.2.4.

Biomasa ............................................................................................................... 18

3.2.5.

Akumulace energie z obnovitelných zdrojů ........................................................ 18

4.

Ekonomické porovnání technologií..................................................................................... 20

5.

Formy podpory pro uživatele ostrovních elektráren malého výkonu ................................ 21

6.

Reálnost dosažitelnosti „grid parity“ .................................................................................. 23

7.

Závěr.................................................................................................................................... 25

Citovaná literatura ...................................................................................................................... 26

4


1. Úvod Lidstvo od počátku své existence využívalo energii, která mu pomáhala a stále pomáhá zjednodušovat a zlepšovat život na Zemi. Již po staletí jsou využívány obnovitelné zdroje, které byly v dřívějších dobách jediným zdrojem energie. Postupem času se stala energie velmi důležitou součástí našich životů, avšak změnou technologií došlo i ke změně jejího získávání. Proto se nyní používají pro získávání potřebných forem energie především neobnovitelné zdroje - fosilní a jaderná paliva. Získávání a užití fosilních paliv se podílí na znečišťování naší planety. Kvůli tomuto dopadu na životní prostředí a ubývání zásob fosilních paliv se lidstvo postupně navrací k využívání obnovitelných zdrojů energie, které jsou považovány za šetrnější k životnímu prostředí.

Z hlediska uživatele je aplikačně nejvhodnější formou energie elektřina. Využívá se široce ve všech průmyslových odvětvích, v dopravě i v domácnostech. Při používání domácích spotřebičů nelze o absenci elektrické energie uvažovat. Ceny dodávky elektrického proudu stále rostou, proto lidé hledají nové alternativy pro získávání elektřiny. Jednou z těchto alternativ mohou být i malé domácí elektrárny.

5


2. Cíl práce Cílem této bakalářské práce je rešerše komerčně dostupných domácích ostrovních elektráren a její využití při porovnání jednotlivých technologií těchto elektráren. V práci budou zmíněny dostupné technologie domácích ostrovních elektráren, které využívají palivových článků, i těch, které k výrobě elektrické energie využívají obnovitelných zdrojů. Bude vysvětlen princip technologií a následně navržena možnost pro ostrovní výrobu elektřiny. V oblasti palivových článků bude práce nejvíce zaměřena na systém s SOFC, jelikož ten se mezi nabízenými systémy aktuálně jeví jako nejlepší pro domácí ostrovní elektrárny malých výkonů s palivovými články. Naproti tomu v oblasti získávání energie z obnovitelných zdrojů bude kladen důraz na využití energie slunečního záření. Tyto dvě oblasti se od sebe velmi liší obzvláště ve způsobu získávání a využití energie. Palivové články mohou vyrábět elektrickou energii prakticky bez přestávky. Na druhou stranu obnovitelné zdroje nejsou ve všech případech zdrojem konstantního výkonu, proto se musí řešit akumulace, aby elektřina byla k dispozici například v noci při výrobě fotovoltaickými panely nebo při získávání elektřiny větrnou elektrárnou v období nepříznivých větrných podmínek. V závěru dojde k zjednodušenému ekonomickému porovnání technologií. Budou také uvedeny dotace, které je možné obdržet při výrobě elektrické energie z obnovitelných zdrojů. V poslední kapitole se práce zaměří na úvahy o reálnosti dosažitelnosti „grid parity“.

2.1 Domácí ostrovní elektrárny Domácí ostrovní elektrárna je systém a také variantou řešení v situaci, kdy se chceme stát nezávislí na veřejném rozvodu elektrické energie a vyrábět si vlastní elektřinu pro svůj užitek. Tento systém může být také řešením v případě, že se není možné k distribuční síti připojit, a to z důvodu nákladného vybudování elektrické přípojky.

6


3. Přehled technologií 3.1.

Palivové články

Palivový článek je technologie, která využívá elektrochemické reakce k výrobě elektrického proudu. Přeměňují chemickou potenciální energii na energii elektrickou, a jakožto vedlejší produkt celého procesu vzniká tepelná energie. Palivový článek využívá externí zdroj energie a může produkovat energii po neurčitou dobu. [1]

3.1.1. SOFC (Solid Oxide fuel cells) Palivové články s tuhými oxidy (SOFC – solid oxide fuel cells) jsou zařízení na

energetickou

přeměnu,

která

vyrábějí

elektrickou

energii

elektrochemickou metodou pomocí paliva a oxidantu přes elektrolyt vedoucí kyslíkové ionty. Tuhý elektrolyt je sevřený mezi dvěma porézními elektrodami, anodou a katodou (sevření anody/elektrolytu/katody je bráno jako jednotlivý článek). Palivo je dodáváno na anodu, kde probíhá oxidační reakce, a jsou uvolněny elektrony do vnějšího obvodu. Oxidant je dodáván na katodu, kde přijímá elektrony z vnějšího obvodu a podstupuje redukci. Tok elektronů ve vnějším obvodu z anody na katodu vytváří stejnosměrný proud. [2] Schéma palivového článku znázorňuje Obr. 1.

Obr. 1: (a) Schéma jednoho článku SOFC, (b) Řez jedním článkem SOFC, kde můžeme vidět mikrostrukturu hustého elektrolytu a porézních elektrod [25]

7


V SOFC zásobníku (angl. stack) jsou jednotlivé články propojeny sériově pomocí tzv. „interconnect“ (propojovač). Anoda je nejčastěji tvořena slitinou Ni a Y2O3 stabilizovanou mřížkou ZrO2. Materiály na bázi zirkonia jsou vhodné pro elektrolyt, jelikož se vyznačují čistou aniontovou vodivostí ve velkém rozsahu parciálních tlaků O2. SOFC pracuje při teplotě 700 – 1000 °C, což záleží na konfiguraci článku nebo na rozdílných návrzích systému. Výroba elektřiny z mnoha odlišných druhů paliv je hlavní výhodou SOFC z důvodu vysoké účinnosti, která může dosahovat až 60 % při přeměně paliv na elektřinu. Pokud je využito také teplo (ohřev vody), může celková účinnost při přeměně paliva na energii vzrůst až na 80 %. Výhodou vysokých provozních teplot je vylepšení reakční kinetiky, což odstraňuje potřebu kovových katalyzátorů. Nevýhodou vysokých teplot je, že je palivové články SOFC obtížné zahřát a trvá tak delší dobu je dostat do provozních teplot. Musí být zkonstruovány z robustních, tepelně odolných materiálů a musí být dobře izolovány z důvodu předejití tepelných ztrát. [2] [3] Chlazení a odvod tepla „Provoz palivového článku SOFC je omezen citlivostí na teplotní namáhání. Maximální přípustný rozdíl ΔTmax teploty katody na vstupu a na výstupu, jehož hodnota je přibližně 150 K, určuje vysoké množství průtoku vzduchu pro palivové články chlazené pouze odvodem tepla spalinami. To znamená výrazný nárůst ztráty citelným teplem spalin a pokles účinnosti celého systému oproti účinnosti samotného palivového článku.“ (Obr. 2)[3]

Obr. 2: Schéma zapojení SOFC se znázorněnými energetickými a hmotnostními toky [3]

8


Systém chlazení palivového článku proto musí omezit vysoký přebytek vzduchu na výstupu ze systému. Jeden z možných přístupů je rozdělit soubor SOFC na podsoubory a odvést část tepla ze systému ochlazením výstupního vzduchu z prvního podsouboru před vstupem na katodu následujícího podsouboru expanzí v plynové turbíně, kde se navíc může vyprodukovat dodatečný výkon. [3]

Příkladem SOFC technologie je BlueGEN (Obr. 3), která využívá zemní plyn, pro výrobu elektřiny v rámci vlastní domácnosti, a tudíž výrazně snižuje množství elektřiny, které se musí kupovat od dodavatele. Teplo uvolněné při výrobě poskytuje 200 litrů teplé vody každý den. Pro výrobu používá SOFC elektrochemické reakce, která rozděluje zemní plyn na uhlík a vodík. Produkuje až 13 000 kWh elektřiny za rok, které se dají rovnou spotřebovat nebo prodávat zpět do sítě. BlueGEN je nejefektivnější zařízení malých rozměrů pro výrobu elektrické energie na světě, dosahuje účinnosti 60 %. Jelikož elektrochemická reakce probíhá při vysokých teplotách, dá se ztrátové teplo využít pro ohřátí vody. S využitím ztrátového tepla může celková účinnost dosáhnout až 85 %. Toto zařízení lze také velice jednoduše instalovat, jelikož mu stačí pouze standardní připojení na plyn, elektřinu, vodu a také k internetu, přes který se dá snadno sledovat, jak zařízení funguje a kolik vyprodukuje energie. [4]

Obr. 3: Pohled na jednotku BlueGen [27]

9


V Evropě je tato technologie využívána a nabízena především ve Velké Británii, Německu a Nizozemsku. Mimo Evropu se objevuje také v Japonsku, Austrálii a Severní Americe. Technické parametry jsou vypsány v Tab. 1. Tab. 1: Technické parametry systému BlueGen [4]

3.1.2. PEMFC (Polymer Electrolyte Membrane fuel cells) Palivové články s polymerní membránou (PEMFC) využívají jako elektrolyt kyselinovou polymerickou membránu na vodní bázi a platinové elektrody. PEMFC pracují oproti SOFC při poměrně nízkých teplotách (pod 100°C). Vzhledem k takto nízkým teplotám a použití vzácných kovů na elektrody, musí tyto palivové články používat jako palivo čistý vodík. Tyto články můžeme nalézt zejména jako technologii pro vozidla, ale začínají se také využívat jako malé stacionární jednotky. PEMFC pracuje na stejném principu jako SOFC. Palivo je dodáváno na anodu, z níž elektrony putují do vnějšího obvodu, který vytváří elektrický proud článku, a protony putují přes membránu na katodu, kde následně proběhne chemická reakce a vzniká jediný odpadní produkt a tím je voda. [1] 10


Variantou této technologie jsou palivové články pracující při vyšších teplotách, které dosahují teplot až okolo 200 °C (tzv. High Temperature PEMFC). Zvýšení teploty je umožněno změnou elektrolytu, který byl původně na vodní bázi. U HT PEMFC jsou elektrolyty založeny na minerálních kyselinách (např. H3PO4, HCl). HT PEMFC nejsou nutně lepší než nízkoteplotní PEMFC, jelikož si každá najde místa, ve kterých jsou jejich výhody k využití. Následující tabulka (Tab. 2) uvádí rozdíly mezi těmito technologiemi. [1] Tab. 2: Rozdíly mezi nízkoteplotními a vysokoteplotními PEMFC

Příkladem této technologie může být Panasonic „ENE Farm“ residential fuel cell (Obr. 4). Tato samostatná jednotka pracuje s palivovými články PEM a je poskytována a nabízena především v Japonsku. Oproti technologii BlueGen není tak účinná v přeměně paliva na elektrickou energii (39 %), avšak díky vysoké účinnosti rekuperace tepla (56 %) se celková účinnost vyšplhá až na 95 %. Technické parametry jsou sepsány v Tab. 3. [5] Palivem je tzv. „city gas” (13A), který je používán v Japonsku a je vyráběn ze zemního plynu a LPG. [5]

Tab. 3: Technické parametry Panasonic "ENE Farm" residential fuel cell

11


Obr. 4: Pohled na jednotku „ENE Farm“ Panasonic residential fuel cell [28]

3.1.3. PAFC (Phosphoric Acid fuel cells) Poslední technologií, která může být zařazena mezi palivové články menších velikostí, jsou palivové články s kyselinou fosforečnou (PAFC). Tato technologie využívá jako elektrolyt vysoce koncentrovanou kyselinu fosforečnou (H3PO4). Běžná provozní teplota dosahuje 200 °C. Elektrody jsou pokryté vrstvou grafitu s příměsí platiny. [3] Tento typ článků dosahuje výkonů od 100 kW do 400 kW, což neodpovídá rozsahu malých ostrovních elektráren. Tyto typy jednotek se používají spíše pro pohon nebytových prostor. [1]

Technologie ONSI PC25 Cogeneration plant, která je jedním z příkladů PAFC, se začala objevovat již v roce 1992. Dosahuje výkonu 200 kW a celkové účinnosti 87 % (37 % elektrické a 50 % tepelné). [3] [6] Tento typ palivové jednotky je zmíněný pouze jako zajímavost, jelikož má příliš vysoký výkon.

12


3.2.

Obnovitelné zdroje

V současné době, mnoho lidí po celém světě postrádá přístup k rozvodu elektřiny, většina z nich žije v oblastech, jako například malé odlehlé vesnice nebo izolovaná místa daleko od elektrické sítě. Zavedení sítě do těchto oblastí je nepraktické a neekonomické z důvodu rozptýlené populace nebo problematického terénu. Výsledkem toho je buď výroba elektrické energie dieselovými generátory, nebo dokonce není elektřina k dispozici vůbec.

Vzhledem k neustálému tlaku na společnost ohledně znečišťování ovzduší je potřeba upírat pozornost více na obnovitelné zdroje. Příkladem takových zdrojů může být solární, větrná nebo vodní energie. Samostatné systémy vyrábějící energii z obnovitelných zdrojů jsou nevyčerpatelným zdrojem, šetrným k životnímu prostředí, spolehlivým a efektivním, proto jsou také většinou nejlepší variantou pro tyto oblasti. Mimo jiné, obnovitelné zdroje jsou klíčem k budoucí prosperitě i zdravému životnímu prostředí a jsou považovány za slibný způsob vyřešení problému znečištění životního prostředí. Z tohoto důvodu zaznamenaly v poslední desítce let obnovitelné zdroje velký rozvoj jako náhrada za fosilní paliva, jejichž vedlejším efektem je, jak známo, degradace zemské atmosféry. Díky těmto skutečnostem jsou obnovitelné zdroje důležitou součástí výroby energie pomocí domácích ostrovních elektráren. [7]

3.2.1. Solární panely (fotovoltaika) Technologie fotovoltaiky poskytuje čistou, bezpečnou a spolehlivou energii spojenou s vysoce nízkými náklady na provoz. Výhodou této technologie je minimální nutnost údržby, žádné pohyblivé součásti, nulové náklady na palivo a dlouhá životnost této technologie (i více jak 20 let). Tyto výhody dělají z fotovoltaiky skvělou volbu pro ostrovní výrobu elektrické energie jak technologicky proveditelnou, tak i ekonomicky přijatelnou. [8]

Fotovoltaika dokáže přeměnit sluneční světlo na elektrický proud. Tato přeměna je umožněna prostřednictvím tzv. fotoelektrického jevu. 13


Fotoelektrický jev je v zásadě vzájemné působení mezi dopadajícím slunečním světlem a polovodičem (s příměsí jiných prvků) solárních článků (propojením článků vzniká modul). Při tomto procesu dochází k uvolňování nosičů elektrických nábojů, které jsou odváděny pomocí kovových kontaktů. Tímto procesem vyrobený stejnosměrný proud je možno využít přímo. Ve většině případů je však převeden pomocí střídače (měniče) do formy, která je vhodná pro použití v klasické distribuční síti. [9]

Výstupem fotovoltaického článku je stejnosměrný proud, který je nutné převést na proud střídavý používaný v elektrické síti (230V/400V 50Hz). Tuto přeměnu umožňuje invertor neboli střídač. U menších elektráren zajišťuje také funkci ochrannou, kdy hlídá napětí a frekvenci sítě a v případě jakéhokoliv nedodržení kvalitativních požadavků elektrárnu od sítě odpojí. Schéma celého systému je vyobrazeno na Obr. 5. [9]

Obr. 5: Schéma uspořádání fotovoltaického systému [7]

Vývoj fotovoltaiky V současné době je nejpoužívanějším typem fotovoltaiky první generace solárních článků. Ty jsou tvořené monokrystalickými a polykrystalickými křemíkovými články. Nevýhodou této generace jsou vysoké výrobní náklady a poměrně malá účinnost, která se pohybuje v rozmezí 13-14 %. Následuje druhá generace, která se zaměřuje na odstranění nevýhod první generace. Jejich pořizovací cena je výrazně nižší, jelikož se tato generace zaměřuje

14


na odstranění drahých materiálů, a jsou použity tenkovrstvé materiály. Účinnost je také proto výrazně nižší (pod 10 %). [10] Třetí generace, která se v současné době teprve vyvíjí, zahrnuje vícevrstvé a koncentrátorové články. Vícevrstvé články fungují na principu vícevrstvých struktur, z nichž každá substruktura pohlcuje určitou část spektra slunečního záření a zbytek přechází do nižších vrstev. Tímto se maximalizuje využitelnost slunečního záření. Pro lepší využití klasických fotovoltaických článků se dají použít odrazné plochy (zrcadla) nebo čočky ke koncentraci slunečního záření a tím zvýšit intenzitu světla, která pomáhá zvýšit účinnost i na 30 %. [9]

Z hlediska využívání solární energie jsou nejdůležitějšími faktory intenzita záření a počet hodin slunečního svitu. Součinitel znečištění atmosféry může také ovlivnit získávání energie ze slunce. V České republice dopadne na 1 m2 zhruba 950 – 1340 kWh. Roční množství slunečních hodin se pohybuje v rozmezí 1331 – 1844 hod (ČHMÚ). V praktickém využití platí, že z jedné instalované kilowaty systému je možné za rok získat v průměru 800 – 1100 kWh elektrické energie. [11]

Umístění FV elektrárny je kritickým faktorem pro její budoucí výnosy. Optimálním umístěním rozumíme správný sklon a orientaci, která bude zajišťovat maximální zisk energie během celého roku (Obr. 5). Nejideálnějším umístěním v ČR je skon cca 35° a orientace přímo k jihu. [9] Fotovoltaické panely a veškerá zařízení potřebná pro provoz fotovoltaické elektrárny jsou veřejně dostupné a poměrně snadno k sehnání.

15


Obr. 5: Výnos energie v závislosti na sklonu a orientaci panelu [26]

3.2.2. Větrné elektrárny Větrné elektrárny malých rozměrů se stávají postupem času populárnějším způsobem získávání energie z obnovitelných zdrojů. Větrná elektrárna se skládá z větrné turbíny a stožáru, na kterém je turbína umístěna, převodovky, motoru na stejnosměrný proud s permanentními magnety, usměrňovače, akumulátoru pro uchování elektrické energie a invertoru, který přeměňuje stejnosměrný proud na střídavý. Stejným způsobem je využíván invertor u fotovoltaiky. Schéma větrné elektrárny je znázorněno na Obr. 6.[12] [13]

Obr. 6: Schéma systému větrné elektrárny [13]

Větrná turbína je alfou omegou celé této technologie. Parametry turbíny nám určují výkon celé elektrárny. Výhodou oproti solárním systémům je, že větrná elektrárna může pracovat i během noci. Naproti tomu nevýhodou je, 16


že musí být umístěna v oblasti se silnou větrnou aktivitou, aby měl takovýto systém dostatečnou efektivitu. Vhodná místa v ČR jsou znázorněna na Obr. 7.

Obr. 7: Mapa ČR s průměrnou rychlostí větru v 10 m [22]

3.2.3. Menší vodní elektrárny Tento typ obnovitelného zdroje je více závislý na lokaci nežli solární nebo větrná elektrárna. V oblasti umístění tohoto typu technologie musí být vodní zdroj (řeka, potok) s dostatečným a stálým průtokem.

Vodní elektrárny využívají vodu přitékající přívodním kanálem, která roztáčí turbínu. Ta se nachází na společném hřídeli s generátorem elektrické energie. Toto uspořádání tvoří tzv. turbogenerátor. Typ turbíny závisí na účelu a podmínkách celé elektrárny. Nejčastěji se používají turbíny reakčního typu (Francisova nebo Kaplanova turbína), a to v různých variantách. V podmínkách našich řek jsou nejvyužívanějšími Kaplanovy turbíny s nastavitelnými lopatkami. Kaplanova turbína je vhodná pro velká množství vody a pro menší spády. [14]

17


3.2.4. Biomasa Významným obnovitelným zdrojem využitelné energie může být také biomasa, v níž je uložena sluneční energie. Pojem biomasa označuje substanci biologického původu, čímž může být rostlinná biomasa pěstovaná ať již v půdě nebo ve vodě, živočišná biomasa, vedlejší organické produkty nebo organické odpady. Energetické zpracování biomasy je považováno všeobecně za žádoucí a za vhodné z hlediska minimalizace ekologické zátěže. K získání energie můžeme teoreticky využít jakoukoli formu biomasy, protože základním stavebním prvkem živé hmoty je uhlík a jeho chemické vazby obsahující energii. Nejstarší termochemickou přeměnou biomasy je spalování biomasy, při které dochází k rozkladu organického materiálu na hořlavé plyny (a jiné látky), a při následné oxidaci se uvolňuje energie, oxid uhličitý (CO2) a voda. Na rozdíl od spalování fosilních paliv má spalování biomasy v podstatě nulovou bilanci CO2, který patří mezi tzv. skleníkové plyny. [15]

3.2.5. Akumulace energie z obnovitelných zdrojů Akumulace elektrické energie je při využívání některých obnovitelných zdrojů důležitá. V případě solární energie a energie větru jde o časově nestabilní zdroje energie, které nemohou dodávat energii neustále. Musíme tedy energii ukládat v akumulátorech, abychom ji mohli využívat v čase, když například nesvítí slunce nebo nefouká vítr. Pro dnešní ostrovní energetické systémy se používají nejvíce dva typy akumulátorů, z nichž každý má své výhody a nevýhody. Prvním typem je olověný akumulátor, který používá jako elektrolyt vodou zředěnou kyselinu sírovou (H2SO4) o koncentraci cca 35 % při plně nabitém akumulátoru. Tyto baterie jsou nejčastěji využívané v systémech získávajících energii z obnovitelných zdrojů, a to hlavně z důvodu nižší pořizovací ceny (80 – 100 $/kWh). Druhým typem je lithium-železofosfátový akumulátor, který používá LiFePO4 jako materiál katody. Váha tohoto typu baterie je třetinová oproti olověnému akumulátoru, což ovšem

18


v systému domácí výroby nehraje příliš velkou roli. Lithiové baterie mají téměř 100 % účinnost v nabíjení či vybíjení. V případě olověných baterií se nedoporučuje tyto baterie vybít o více než 50 %. Lithiová baterie nabízí 5000 a více nabíjecích cyklů v porovnání s pouze 400-500 cykly u olověné. Pořizovací cena lithiové baterie je cca 4x vyšší než u olověné při stejné kapacitě baterie. [16] [17]

19


4. Ekonomické porovnání technologií V této kapitole bude provedeno zjednodušené ekonomické porovnání zvolených technologií formou srovnání ceny vyráběné elektřiny. Z technologií s palivovými články byla pro srovnání zvolena technologie BlueGen. Ta je dále srovnána s elektrárnou využívající obnovitelné zdroje energie na bázi fotovoltaických panelů.

BlueGen: Pořizovací cena: od 19 950 £ (1 £ = 34,96 Kč) -> 697 452 Kč Výkon: 1,5 kW (za rok při neustálém provozu 13 000 kWh elektrické energie) Palivo: zemní plyn (2,5 kWh zemního plynu -> 1,5 kWh elektrické energie) při neustálém provozu během roku odběr cca 22 000 kWh plynu při tomto množství je cena 1,3 Kč/kWh [18] -> 26 000 Kč/rok

Vedlejší výdaje na provoz nejsou vysoké, jelikož systém se kontroluje jednou za rok, tudíž cena je zanedbatelná v porovnání s pořizovací cenou systému. Životnost tohoto zařízení je 15 let. Pozn.: zemní plyn -> 1 m3 = 10,6 kW

Ostrovní fotovoltaická elektrárna 3000Wp (12x FV solární panel 250 Wp) [19] Pořizovací cena: 325 920 Kč Výkon: 3 000 kWh za rok (za slunečného dne lze vyrobit až 22 kWh) Výdaje na provoz nejsou nijak nákladné (kontrola a servis) a vzhledem k pořizovací ceně téměř zanedbatelné. Vzhledem ke státní podpoře se návratnost fotovoltaického systému obecně udává kolem 10-15 let.

Při výrobě elektřiny pro vlastní užitek domácí ostrovní elektrárnou jsou ekonomicky nejvyšší částkou počáteční výdaje, které výrazně převyšují náklady na provoz těchto systémů. Pokud je ale tento základní kapitál investován, může si uživatel vyrábět svou vlastní elektřinu a stát se tak energeticky nezávislým. 20


5. Formy podpory pro uživatele ostrovních elektráren malého výkonu Podporu/dotaci v České republice zajišťuje program Nová zelená úsporám. Je to „Program Ministerstva životního prostředí, administrovaný Státním fondem životního prostředí ČR, podporuje energeticky úsporné rekonstrukce rodinných domů a bytových domů, výměnu nevyhovujících zdrojů na vytápění a využívání obnovitelných zdrojů energie. Představuje ekonomicky nejlepší prorůstové opatření pro českou ekonomiku, pro rozvoj podnikatelské sféry ve stavebnictví, strojírenství a dalších souvisejících oborech. Významným efektem programu Nová zelená úsporám je také tvorba nebo udržení desítek tisíc pracovních míst.“ [20]

„Hlavním cílem programu je zlepšení stavu životního prostředí snížením produkce emisí znečišťujících látek a skleníkových plynů (především emisí CO2), dále pak úspora energie v konečné spotřebě a stimulace ekonomiky ČR s dalšími sociálními přínosy, kterými jsou například zvýšení kvality bydlení občanů, zlepšení vzhledu měst a obcí, nastartování dlouhodobých progresivních trendů.“ [20]

Tento program bude aplikován na fotovoltaickou elektrárnu. Maximální instalovaný výkon systému nesmí přesáhnout 10 kWp. Naproti tomu minimální výkon není stanoven přímo, ale objemem využité energie. V praxi to musí být systém s minimálním výkonem 3 kWp. Dotace se zaměřují na podporu systémů propojených s distribuční soustavou, které dovolí využít vyrobenou elektřinu k pokrytí okamžité spotřeby v budově. Podmínkou pro přiznání podpory je dosažení alespoň 70 % míry využití energie, vyrobené systémem, k pokrytí spotřeby přímo v domě, na který je podpora poskytována, což se v praxi neobejde bez instalace zařízení na akumulaci energie do vody nebo do baterií. Výše podpory může dosáhnout 100 000 Kč na dům. Výše dotace závisí na použitém systému. [21]

Pro výrobce energie z obnovitelných zdrojů jsou stanoveny výkupní ceny elektřiny a tzv. zelené bonusy. Výrobce energie si vybírá jeden typ z těchto podpor. V případě

21


výkupních cen má vykupující povinnost od výrobce elektřiny vykoupit veškerý objem elektřiny. Zelený bonus na elektřinu vyrobenou z obnovitelných zdrojů je vyplácen za veškerou vyrobenou a účelně spotřebovanou elektřinu včetně spotřebované v místě výroby. Při této formě podpory si musí výrobce najít sám svého odběratele elektrické energie a s ním si sjednat cenu. [22]

22


6. Reálnost dosažitelnosti „grid parity“ Pojem „grid parity“ popisuje teoretický bod v čase, v kterém technologie pro ostrovní výrobu energie budou vyrábět energii za stejnou cenu, jako kdyby se odebírala ze sítě.

BlueGen: Jelikož je tato technologie stále ve vývoji a není ještě v sériové výrobě, tak se v následujícím srovnání (Graf 1) tyto hodnoty velice liší. Zatímco dnes je tato technologie k dostání za cca 700 000 Kč, kdežto pokud by se v budoucnu vyráběla sériově, mohla by cena klesnout na hodnotu kolem 300 000 Kč.

Cena za kWh 55 50

Cena za kWh [Kč]

45 40 35 30 25

Kusová výroba

20

Sériová výroba

15 10 5 0 2016

2021

2026

2031

2036

Rok Graf 1: Cena za kWh při výrobě technologií BlueGen

K pořizovací ceně se přičte za každý rok cena za odebraný plyn a výsledná hodnota je podělena počtem vyrobených kWh během let provozu BlueGen technologie. Uvažuje se i s úbytkem účinnosti palivových článků a také s jejich pravidelnou výměnou, která probíhá každých cca 5 let. [23] Pokud je 1 kWh proudu ze sítě odebírána za cca 5 Kč [24] a cena 1 kWh zemního plynu za cca 1,3 Kč [18] při ročním odběru 20 000 kWh, tak BlueGen začne vyrábět elektřinu levněji než ze sítě za cca 5 let v případě sériové výroby a kolem 11 let v případě kusové výroby. 23


V grafech jsou vidět velké rozdíly ve variantách kusové a sériové výroby u technologie BlueGen. Pokud by se tento systém v budoucnu vyráběl sériově, tak by byl jistě velmi atraktivní vzhledem k rychlému navrácení investic.

Fotovoltaika: Vzhledem k tomu, že se na tuto technologii vztahují v České republice dotace, provede se srovnání v případě uplatnění maximální možné dotace s variantou bez dotace (Graf 2):

Cena za kWh

Cena za kWh [Kč]

100 80 60 Bez dotace 40

S dotací

20 0 2016

2021

2026

2031

2036

2041

Rok Graf 2: Cena za kWh při výrobě fotovoltaickými panely

V tomto případě je stanovena cena použité technologie 325 920 Kč (bez dotace) a 225 920 Kč (s dotací). Tato čísla jsou následně podělena hodnotou kWh, kterou tento fotovoltaický systém vyrobí v průběhu let. Je také počítáno s úbytkem účinnosti systému, která za 10 let klesne na 90 % a po 25 letech na 80 %. Pokud je 1 kWh proudu ze sítě odebírána za 5 Kč [24], začne fotovoltaická energie vyrábět elektřinu pod tuto cenu za cca 25 let v případě bez dotace a kolem 15 let v případě s dotací. Jak je z obou grafů vidět, tak vysoké počáteční náklady mají u obou technologií velký vliv na cenu za vyrobenou kWh elektřiny. Postupem času ale dokáží systémy výrobou energie tuto hodnotu redukovat a následně dokážou vyrábět energii levněji, než kdybychom ji nakupovali od dodavatele.

24


7. Závěr V této bakalářské práci byla zpracována rešerše jednotlivých technologií, které jsou dostupné na současném trhu, pro domácí ostrovní elektrárny malých výkonů. Představeny jsou technologie se třemi typy chemických palivových článků. Pro výrobu elektřiny na krytí především vlastní spotřeby v domácnosti je nabízeno pravděpodobně nejlepší zařízení s názvem BlueGen, využívající SOFC (Solid Oxide fuel cell). Tato technologie však zatím není sériově vyráběna, a tudíž její cena je poměrně vysoká. V současnosti není tato technologie k dostání v České republice. Dalšími technologiemi, které jsou v dnešní době velmi využívané pro výrobu vlastní elektrické energie, jsou takové systémy využívající k výrobě obnovitelné zdroje. Takovýto způsob získávání energie je šetrný k životnímu prostředí, a tudíž v současné době velice žádaný. Nejpoužívanější v dnešní době a také nejdostupnější jsou fotovoltaické panely, které využívají solární energii pro výrobu elektřiny.

Dalšími

možnostmi jak využívat obnovitelné zdroje jsou větrné a vodní elektrárny nebo také elektrárny spalování biomasy. Jelikož je solární a větrná energie nestálá, musí se řešit akumulace energie pro využití v čase, kdy není možné vyrábět elektřinu. Pro tyto případy byly uvedeny dva typy akumulátorů. Ve

stručném

ekonomickém

porovnání byly

srovnány technologie

BlueGen

a fotovoltaická elektrárna. Byly uváženy nejen pořizovací náklady, ale i některé provozní investice. Z tohoto porovnání se dá usoudit, že nejvyšší náklady na domácí ostrovní systémy je pořizovací cena. Samotný provoz elektráren již není příliš nákladný. V České republice jsou v současné době podporovány dotacemi malé fotovoltaické elektrárny do výkonu 10 kWp. Z těchto dotací je možno čerpat částku až do 100 000 Kč. Dosažitelnost „grid parity“ je u systémů typu domácích ostrovních elektráren okolo 10 a více let a to hlavně z důvodu vysokých pořizovacích nákladů. Z hlediska všech srovnání, která byla v této bakalářské práci uvedena, je pro Českou republiku v současné době nejvýhodnější technologií pro domácí ostrovní elektrárny fotovoltaika. Tyto systémy jsou snadno k dostání a v ČR jsou dotovány z programu Nová zelená úsporám, což výrazně snižuje počáteční investice. 25


Citovaná literatura [1]

Technologies. Fuell Cell Today [online]. b.r. [cit. 2016-06-01]. Dostupné z: http://www.fuelcelltoday.com/technologies

[2]

MINH, N. Solid oxide fuel cell technology?features and applications. Solid State Ionics [online]. 2004, 174(1-4), 271-277 [cit. 2016-05-20]. DOI: 10.1016/j.ssi.2004.07.042. ISSN 01672738. Dostupné z: http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0167273804004813

[3]

Palivové články. ČEZ [online]. Ústav Jaderného Výzkumu Řež, a.s., 2002 [cit. 2016-0520]. Dostupné z: https://www.cez.cz/edee/content/file/vzdelavani/palivove-clanky.pdf

[4]

Bluegen. Solidpower [online]. b.r. [cit. 2016-05-21]. Dostupné z: http://www.solidpower.com/en/home/

[5]

Residential fuel cell. Panasonic [online]. b.r. [cit. 2016-06-01]. Dostupné z: http://panasonic.co.jp/ap/FC/en_index.html

[6]

BRENSCHEIDT, T. Performance of ONSI PC25 PAFC cogeneration plant. International Journal of Hydrogen Energy [online]. 1998, 23(1), 53-56 [cit. 2016-06-03]. DOI: 10.1016/S0360-3199(97)00029-3. ISSN 03603199. Dostupné z: http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0360319997000293

[7]

SALAS, V., W. SUPONTHANA a R.A. SALAS Overview of the off-grid photovoltaic diesel batteries systems with AC loads. Applied Energy [online]. 2015, 157, 195-216 [cit. 201605-21]. DOI: 10.1016/j.apenergy.2015.07.073. ISSN 03062619. Dostupné z: http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0306261915009149

[8]

BANDARA, Kapila, Tracy SWEET a Janaka EKANAYAKE. Photovoltaic applications for offgrid electrification using novel multi-level inverter technology with energy storage. Renewable Energy [online]. 2012, 37(1), 82-88 [cit. 2016-05-20]. DOI: 10.1016/j.renene.2011.05.036. ISSN 09601481. Dostupné z: http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0960148111002898

[9]

Úvod do FV systémů. Czech Nature Energy [online]. b.r. [cit. 2016-05-20]. Dostupné z: http://www.cne.cz/fotovoltaicke-systemy/uvod-do-fv-systemu/

[10] BAGNALL, Darren a Matt BORELAND. Photovoltaic technologies. Energy Policy [online]. 2008, 36(12), 4390-4396 [cit. 2016-05-20]. DOI: 10.1016/j.enpol.2008.09.070. ISSN 03014215. Dostupné z: http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0301421508004552 [11] Fotovoltaika. Czech RE agency [online]. b.r. [cit. 2016-06-07]. Dostupné z: http://www.czrea.org/cs/druhy-oze/fotovoltaika#podminky

26


[12] FLECK, Brian a Marc HUOT. Comparative life-cycle assessment of a small wind turbine for residential off-grid use. Renewable Energy [online]. 2009, 34(12), 2688-2696 [cit. 2016-05-21]. DOI: 10.1016/j.renene.2009.06.016. ISSN 09601481. Dostupné z: http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0960148109002894 [13] LU, H.W., H.Y. PAN, L. HE a J.Q. ZHANG Importance analysis of off-grid wind power generation systems. Renewable and Sustainable Energy Reviews [online]. 2016, 60, 9991007 [cit. 2016-05-17]. DOI: 10.1016/j.rser.2015.12.286. ISSN 13640321. Dostupné z: http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S136403211501669X [14] Vodní elektrárna. ČEZ [online]. b.r. [cit. 2016-06-08]. Dostupné z: https://www.cez.cz/cs/vyroba-elektriny/obnovitelne-zdroje/voda/flash-model-jakfunguje-vodni-elektrarna.html [15] Biomasa. ČEZ, Obnovitelné zdroje [online]. b.r. [cit. 2016-06-05]. Dostupné z: https://www.cez.cz/cs/vyroba-elektriny/obnovitelne-zdroje/biomasa.html [16] 7 Facts Comparing Lithium-ion With Lead Acid Batteries. Relion battery [online]. b.r. [cit. 2016-06-05]. Dostupné z: http://www.relionbattery.com/blog/7-facts-and-figurescomparing-lithium-ion-vs.-lead-acid-batteries [17] What's the best battery?. Battery university [online]. b.r. [cit. 2016-06-05]. Dostupné z: http://batteryuniversity.com/learn/archive/whats_the_best_battery [18] Ceník RWE plyn OPTIMAL. RWE [online]. b.r. [cit. 2016-06-08]. Dostupné z: https://www.rwe.cz/files/ceniky/ZP_CEN_OPT3Y_160601_RWE.pdf [19] Ostrovní off-grid fotovoltické elektrárny a systémy. Ostrovní elektrárny [online]. b.r. [cit. 2016-06-05]. Dostupné z: http://www.ostrovnielektrarny.cz/index.php?category=kompletnielektrarny&detail=OTUwMDA2&detail_name=ostrovni-fotovoltaickaelektrarna-3000wp [20] O programu. Nová zelená úsporám [online]. b.r. [cit. 2016-06-05]. Dostupné z: http://www.novazelenausporam.cz/zadatele-o-dotaci/rodinne-domy/3-vyzva-rodinnedomy/o-programu-3-vyzva/ [21] Fotovoltaika. ČEZ [online]. b.r. [cit. 2016-06-05]. Dostupné z: https://www.cez.cz/cs/fotovoltaika.html [22] ERU. Energetický regulační úřad [online]. b.r. [cit. 2016-06-05]. Dostupné z: https://www.eru.cz/ [23] BlueGen Launch Information. Fuelcellmarkets [online]. b.r. [cit. 2016-06-08]. Dostupné z: http://www.fuelcellmarkets.com/content/images/articles/BlueGen_Launch_Informatio n_(Web)_May-2009.pdf [24] Elektřina. ČEZ [online]. b.r. [cit. 2016-06-08]. Dostupné z: https://www.cez.cz/cs/elektrina.html

27


[25] LIU, Meilin, Matthew LYNCH, Kevin BLINN, Faisal ALAMGIR a YongMan CHOI. Rational SOFC material design: new advances and tools. Materials Today [online]. 2011, 14(11), 534-546 [cit. 2016-05-20]. DOI: 10.1016/S1369-7021(11)70279-6. ISSN 13697021. Dostupné z: http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S1369702111702796 [26] TZB. Optimální orientace a sklon fotovoltaických panelů [online]. 2014 [cit. 2016-05-21]. Dostupné z: http://oze.tzb-info.cz/114865-optimalni-orientace-a-sklon-fotovoltaickychpanelu [27] Fuel Cell Today. Ceramic Fuel Cells Receives Substantial Order from E.ON UK - See more at: http://www.fuelcelltoday.com/news-archive/2011/november/ceramic-fuel-cellsreceives-substantial-order-from-eon-uk#sthash.qbHtDmEH.dpuf [online]. 2011 [cit. 2016-05-22]. Dostupné z: http://www.fuelcelltoday.com/newsarchive/2011/november/ceramic-fuel-cells-receives-substantial-order-from-eon-uk [28] Panasonic residential fuel cell. Gizmag [online]. b.r. [cit. 2016-06-01]. Dostupné z: http://www.gizmag.com/ene-farm-home-fuel-cell-panasonic/25856/

28

Domácí ostrovní elektrárny. Off Grid Power Units for Homes

Recommend Documents